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文章摘要
全球变暖对农业生态系统构成了前所未有的威胁。尽管冬季温度升高比其他季节更为明显，但冬季变暖对作物生物量C的影响尚未阐明。
本研究将全球观测数据与长达十年的田间试验相结合，发现：冬季土壤温度与作物生物量碳之间存在显着的负相关性。冬季土壤温度每升高1℃，秸秆和谷物生物量C分别减少6.6（±1.7）g kg-1和10.2（±2.3）g kg-1。这种下降主要归因于变暖导致的土壤有机质和微量营养素的流失。
忽视冬季变暖对作物生物量C的不利影响可能会导致未来变暖情景下对粮食总产量的估计被高估4%至19%。
研究强调了将冬季变暖纳入农业生产力模型的迫切需要，以制定更有效的气候适应战略。
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文章引用
过去十年，全球变暖威胁粮食安全。IPCC第六次评估报告显示，变暖导致作物减产，影响生物量。作物生物量直接供人食用，间接通过动物饲料提供蛋白质。预计至2050年，全球人口达100亿，粮食需求将比2010年增56%。在此背景下，变暖致生物量减少，满足未来需求愈加困难。鉴于气候变化不可逆，亟需了解其具体影响，保障粮食安全。
现有研究多关注年均温对产量的影响，但实际上冬季变暖更显著，尤其在北部中纬度和高纬度地区，冬季气温每十年上升超0.5℃，是年均增速的1.8倍。冬季变暖可打破作物休眠，提前物候期，缩短生长期和光合作用，加剧病虫害，增加减产风险。冬季变暖还改变土壤温度和湿度，影响土壤肥力及作物生长。
土壤肥力与气候共同决定作物产量，其中土壤有机质（soil organic matter，SOM）对保持土壤水分和养分至关重要。冬季变暖通过提升土壤温度和改变水分动态刺激土壤呼吸，加速SOM分解。
冬季变暖对土壤温湿度的影响因地区而异，尤其在高纬度区，虽冬季不种作物，但变暖可能通过土壤过程影响次年生长。因此，需深入研究冬季变暖对作物生物量的影响机制，包括土壤过程的作用。
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研究方法
为了解决以上科学问题，
课题组本研究汇编了一个全球数据库，其中包括来自全球161个田间站点的309个稻草碳（C）含量和1358个谷物碳含量的观测数据。基于该数据库通过土壤过程来研究冬季变暖对作物生物量的潜在影响。
为了进一步探索这种关系及其潜在的机制，在中国三个不同的气候带（寒温带（47°26' N）、暖温带（35°00' N）和亚热带（28°15' N）进行为期十年的田间试验。该试验包括两个部分：现场研究和土壤迁移研究。
假设在气候条件和作物类型相同的情况下，冬季变暖导致的SOM减少会降低土壤的养分保持能力，进而导致作物生物量碳含量的下降。预计这种效应在中高纬度地区尤为明显。
为了验证这一假设，本文进行了长达十年的现场研究，旨在调查冬季变暖对不同气候带作物生物量C的影响，而土壤迁移研究则通过将高纬度地区的土壤转移到中低纬度地区来模拟加速SOM分解。整个实验设计能够全面评估冬季变暖对作物生物量C的潜在影响，同时保持气候条件、作物类型和农业管理实践的一致性。研究结果强调了冬季变暖对作物生物量产生的显著不利影响，这一影响不容忽视。
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研究结果
为了评估冬季增温对作物生物量C的影响，采用了全球尺度的元分析和10年田间试验。
在全球尺度上，利用线性混合效应模型（作物生物量C为因变量，冬季土壤温度为固定效应，气候类型为斜率和截距的随机效应）。分析发现，3种作物都对冬季增温产生了负响应，其中玉米和水稻的负影响更为显著（图1a、b）。这种差异可归因于小麦生长期与冬季的重叠，可能有助于缓解冬季增温的不利影响。
当同时考虑作物类型和气候类型作为随机效应时，每增加1°C的冬季土壤温度，全球平均茎秆和谷物C含量分别减少6.62±1.65 g kg−1和10.21±2.31 g kg−1（P<0.05；图1c、d），在施肥处理中也存在负相关性。
与全球元分析的结果（图1）一致，田间试验也显示冬季土壤温度与作物生物量C之间存在显著的负相关性。
值得注意的是，无论是在全球分析还是田间试验中，茎秆和谷物C的下降率在中高纬度地区都比低纬度地区更为明显（P<0.05）。这些结果强调了冬季变暖对全球作物生物量C的不利影响，尤其是在中高纬度地区。
随机森林模型表明，在全球分析和田间试验中，SOM 是继温度变化之后影响作物生物量 C 的次要因素。为了进一步阐明 SOM 的作用，本文进行了土壤迁移实验，将高纬度地区的Mollisols迁移到中低纬度地区（图 2a）。这项工作从 2005 年持续到 2015 年，确保了迁移土壤与当地土壤在气候条件、播种时间、光周期、作物类型和品种以及施肥管理和其他农业实践方面的一致性。目的是验证冬季变暖会加速 SOM 分解，从而加剧作物生物量 C 损失的假设。
图 2：十年田间土壤迁移试验中冬季土壤温度与作物生物量碳的关系。a 在海伦（47°26′ N）、封丘（35°00′ N）和鹰潭（28°15′ N）进行的十年原位和土壤迁移田间试验示意图。高纬度海伦地区的软土分别被迁移到封丘（Trans1）和鹰潭（Trans2）的实验地块。软土以黑色突出显示，原位土壤（封丘的初生土和鹰潭的红壤）分别以橙色和红色显示。b、c 散点图显示线性回归模型，描绘了秸秆或谷物碳含量与冬季土壤温度之间的相关性（每个地点 n = 30）。拟合线表示线性回归模型，阴影区域表示平均值周围的 95% 置信区间。对于 (b)，海伦 (原位)、封丘 (Trans1 和原位) 和鹰潭 (Trans2 和原位) 的 P 值分别为 7.5e-13、0.0232、0.0174、0.00438 和 0.0412。对于 (c)，相应的 P 值分别为 2.1e-12、0.00782、0.0106、0.00107 和 0.0197。*表示回归斜率之间存在统计学上的显著差异 (P < 0.05)。通过为每个模型生成 999 个引导重采样以获得斜率系数分布，然后进行双侧 t 检验，对原位和易位模型之间的斜率比较。冬季土壤温度定义为冬季年平均土壤温度。
图 3：结构方程模型阐明的冬季土壤温度、矿物质保护、土壤特性、微生物多样性和酶活性对作物生物量 C 的直接和间接影响。a 海伦（原地）。b, c 分别转移到封丘和鹰潭土壤。实线箭头表示假设因果关系，橙色和蓝色箭头分别表示正向和负向影响。虚线箭头表示不重要关联。箭头粗细与影响大小相对应。所有变量均已归一化。土壤属性包括SOM、土壤水分、pH 值和微量元素（可用铁锌比）。矿物成分包括有机络合铁/铝和无定形铁/铝氧化物（Fep、Alp、Feo 和 Alo）。多样性以原核生物和真核生物的香农指数（H′）来衡量。水解酶活性包括α-1,4-葡萄糖苷酶和β-1,4-葡萄糖苷酶，分别称为 S-α-GC 和 S-β-GC。作物生物量 C 包括秸秆和谷物 C 含量。箭头旁标有标准化路径系数。仅显示有意义系数（*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001）。
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研究讨论
与中低纬度相比，冬季增温对作物生物量C的不利影响在高纬度地区更为明显。这种差异主要可归因于高纬度地区冻融循环的频率更高，导致在较暖的条件下SOM和相关养分的显著耗竭。研究发现，随着冬季土壤温度的升高，SOM的流失速度加快。具体来说，对于高纬度地区而言，每升高1℃的冬季土壤温度，就会导致0.9gkg-1的SOM流失，这一数值大约是中纬度地区的1.5倍，是低纬度地区的1.7倍。
图 4：冬季变暖对作物生物量 C 的遗留影响示意图。红色箭头表示强化过程，蓝色箭头表示减弱过程。变量内的橙色向上箭头表示增加，绿色向下箭头表示减少。作物生物量 C 包括秸秆 C 和谷物 C 含量。
除了气候模式对冻融循环的影响外，其他因素，如土壤类型和作物品种，可能会调节冬季变暖的影响，尤其是在中高纬度地区。例如，这些地区的富含粘土的土壤可能与低纬度地区常见的沙质土壤具有不同的热动力学特性。土壤性质的这些变化可显著影响SOM分解速率和养分释放速度，从而改变冬季变暖对农业产量的整体影响。
为了确保冬季增温对作物生物量C的影响在即将到来的全球变暖背景下得到适当的考虑，认识到其潜在影响至关重要。将冬季增温的影响纳入预测表明，由于未来全球变暖预期导致的作物生产力下降可能比以前估计的更为严重，下降幅度在4%至19%之间（图5）。这些影响在中高纬度地区尤为显著，该地区的下降幅度可能在8%至19%之间，与全球多个主要农业区域重叠。忽视这些差异可能会对当前的粮食安全构成重大风险，并在未来几年可能破坏和加剧全球粮食供应链。
此外，必须认识到年平均土壤温度和年平均气温之间的区别。目前大多数研究都依赖气温来预测未来的粮食产量，这给这些预测带来了潜在的不确定性。本文实验数据显示，冬季土壤温度比相应的气温高约 1.4°C。土壤温度是气温波动的“放大器”。
此外，根区温度受土壤水分的影响，这表明土壤水分的有效性可能会影响土壤温度和作物产量之间的关系。鉴于整个土壤剖面的土壤温度和水分差异很大，将这些因素按土壤深度整合对于评估气候变暖对未来粮食安全的影响至关重要。
